基于微電壓調(diào)節(jié)的太陽能充放電系統(tǒng)設(shè)計

常見的幾種最大功率點追蹤算法有電壓回授法、功率回授法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等，各有其優(yōu)缺點。本文提出一種僅通過檢測微電壓的變化來實現(xiàn)追蹤最大工作點的算法——微電壓調(diào)節(jié)算法。該算法是基于電壓回授法提出來的，效率相對有明顯提高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。
微電壓調(diào)節(jié)算法是指檢測電壓以一定的步長增加或減少所需的時間，根據(jù)時間的長短來選擇最大工作點電壓。其理論基礎(chǔ)是電荷量等于電容與端電壓的乘積，即Q=C×U。當(dāng)電容為恒定值時，相應(yīng)的線性關(guān)系變化為△Q=C×△U。
所以，可通過檢測不同階段電壓的變換時間的長短來選擇充電的最佳工作點，再通過追蹤最佳工作點來實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文采用低功耗的ARM芯片LPC1114作為控制器的主控芯片，而給相應(yīng)的外圍芯片設(shè)計了太陽能充放電控制器。系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

2．1 主控芯片及其電源電路
本系統(tǒng)采用NXP公司的微控制器LPC1114作為本系統(tǒng)的核心。LPC111x系列芯片是基于ARM Cortex-M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。
該微控制器特點如下：
◆流水線結(jié)構(gòu)的ARM Cortex-M0內(nèi)核，處理器工作最高頻率可選50 MHz；
◆串行接口UART可產(chǎn)生小數(shù)波特率，帶有內(nèi)部FIFO，支持RS-485／EIA-485，具有Modem控制；
◆32 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，高達8 KB的靜態(tài)RAM，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用中編程；
◆看門狗定時器(WDT)，系統(tǒng)節(jié)拍定時器，10位ADC在8個引腳之間實現(xiàn)輸入多路復(fù)用；
◆具備3種節(jié)能模式——睡眠、深度睡眠和深度掉電，集成的PMU(Power Management Unit)在睡 眠、深度睡眠和深度掉電模式下自動調(diào)節(jié)內(nèi)部穩(wěn)壓器，將功耗降至最低。
電源電路采用蓄電池供電，不追加外部供電系統(tǒng)。通過LM7805和LM1117兩個線性電源為芯片供電。電源電路原理圖如圖6所示。

2．2 主控電路
太陽能智能控制系統(tǒng)主要由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、充電控制部分、阻抗匹配平衡部分、放電切換部分和為交流負(fù)載提供電能的逆變器組成。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)微處理器的分析處理對MOS管的導(dǎo)通與否實施控制。充電控制部分完成對開關(guān)管的控制，當(dāng)無過充現(xiàn)象時在光伏電池輸出的最佳工作點處給蓄電池充電并實時采集分析。阻抗匹配平衡電路作為PWM調(diào)試追蹤最大工作點的核心部分，實現(xiàn)阻抗的匹配。放電切換部分完成直接供電或在功率不足時由民用交流電供電。逆變器則是為交流負(fù)載供電時將直流轉(zhuǎn)為交流。

圖7為系統(tǒng)的主控電路。SB460為阻塞二極管，用于防止光伏電池電壓過低時產(chǎn)生反充的現(xiàn)象。C1和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)檢測功能電路。C2為濾波電容，減小電壓抖動文波。D1為穩(wěn)壓二極管，用于嵌位開關(guān)管兩端電壓，滿足開關(guān)的開啟電壓。Q1部分電路為MOS管的驅(qū)動電路和保護電路，功率場效應(yīng)管是所有全控型電力電子器件中工作頻率最寬的一種，MOS管是電壓控制型器件，但對于MOS管的驅(qū)動也要保證一定的驅(qū)動電流。該驅(qū)動電路必須具備2個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動MOSFET柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖，實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。DC／DC平衡電路根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)輸出電壓，其實際上就是阻抗變換器，為了實現(xiàn)阻抗的匹配而達到最大功率輸出的效果。D2為泄流二極管，在繼電器吸合斷開時泄放電流，起到保護的作用。K1為繼電器，采用AIKS公司生產(chǎn)的ARL2F系列，通過控制三極管的導(dǎo)通與否實現(xiàn)繼電器的控制，當(dāng)繼電器吸合時由太陽能系統(tǒng)供電，在功率不足或是欠壓狀態(tài)下由民用供電系統(tǒng)供電，在給交流負(fù)載供電時，需要經(jīng)過逆變器實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。